## UNJUK KERJA COOL BOX BERBASIS THERMOELEKTRIK COOLER DENGAN SINGLE DAN MULTI-STAGE TERMOELEKTRIK
Munawir 1* , Mega Nur Sasongko 2 , Nurkholis Hamidi 2
1 Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya, Jl. M.T. Haryono 167 Malang
2 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya, Jl. M.T. Haryono 167 Malang
Email: *Munawirlaco28@gmail.com

## ABSTRACT
Thermoelectric  technology  works  by  converting  thermal  energy  into  electricity  directly  or preferably.  Thermoelectric technology works by converting thermal energy into electricity directly or  preferably.  Theuse  of  thermoelectric  as  a  cooler  in  cool  box  systems  has  been  extensively studied. The thermoelectric cool ability can be achieved depending on the design of a good system. Therefore, this study aims to determine the performance of thermoelectric cooler cool box based on single and multi stage. Tests carried out using cool boxes of dimensions of 31 cm x 19 cm x 24 cm  witha  thickness  of  3  cm  and  with  the  TEC1  12706  module.  The  voltage  used  in  each configuration is 12 Volts. Temperature data readings on laptops using DAQNavi_SDK data logger connected  to  type  K  thermocouples.  The  result  showed  the  multi  stage  configuration  reached  a room  temperature  of  around  19.3  oC  and  21.8  oC  for  single  stage.  Meanwhile,  the  multi  stage configuration COP value is 1.36 and with a single stage configuration is0.88. It can be concluded that the thermoelectric configuration has an influence on the performance of the cool box system.
Keywords: Cool box, Thermoelectric module, Multi stage, single stage, COP

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  terhadap  teknologi  semakin berkembang  pesat  salah  satunya  yaitu  mesin pendingin  seperti  domestik  refrigerasi  (kulkas) untuk  mengawetkan  maupun  menjaga  makanan dan minuman tetap segar. Kelemahan kulkas yang konvensional  adalah ukuran besar, membutuhkan daya  yang  besar,  dan  refrigeran  yang  digunakan masih  berbasis Chloro  Flouro  Carbon (CFC)  , yang  apabila  terlepas  ke  udara  bisa  berdampak pada  pemanasan  global  karena  zat  tersebut  dapat merusak lapisan ozon [1].
Untuk  mengatasi  hal  ini,  perlu  mesin pendingin  yang  tidak  memakai  CFC,  misalnya menggunakan termoelektrik. Pendingin termoelektrik  lebih  unggul  dibandingkan  dengan mesin konvensional yang menggunakan kompresi uap.  Keunggulannya  adalah  tahan  lama,  mudah dioperasikan,  kompak,  ringan  dan  perawatan mudah [2,3].
Meskipun pendingin ini memiliki keunggulan,  tai  pendingin  termoelektrik  juga memiliki  kelemahan  yaitu  tidak  cocok  untuk mesin pendingin berkapasitas besar, dan Coefficient  of  performance atau  unjuk  kerjanya masih sangat rendah. Penerapan sistem pendingin bertingkat  pada  kotak  pendingin  darah  berbasis termolektrik  dan  heat  pipe.    Nilai  COP  yang
diperoleh sekitar 0,14-0,29 [4]. Sedangkan, Unjuk kerja  kulkas  termoelektrik  dengan  rangkaian  seri dan  paralel  dengan  diberi  air  1500  ml  pada ruangan  kulkas  telah  diteliti.    Nilai  COP  yang dihasilkan  masih  rendah  masing  masing  yaitu 0,45 untuk rangkaian seri dan 0,43 untukrangkaan paralel [3].
Kemudian, modul sederhana adalah
dengan menggunakan satu perangkat termoelektrik  namun  karena  batas-batas  kinerja bahan  termoelektrik pada  mesin  pendingin  hanya dapat dioperasikan dengan range suhu yang kecil, dengan  demikian  jumlah  modul  termolektrik memberikan  pengaruh  yang  cukup  signifikan terhadap pendinginan.  Untuk itu, perlu dilakukan penelitian  lebih  intensif  untuk  menaikkan  COP, beberapa  penelitian  yang  dilakukan  untuk memperbaiki COP mesin pendingin termoelektrik.  Namun  COP  yang  didapatkan masih  di  bawah  karena  daya  yang  digunakan terlalu  besar.    Oleh  sebab  itu,  penelitian  ini mencoba  memvariasikan  susunan  termoelektrik yaitu susunan ganda dengan harapan kemampuan serap  kalornya  lebih  baik    dibandingkan  dengan susunan tunggal.

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  meliputi  dua  kegiatan  utama yaitu fasilitas penelitian dan data reduksi.
a. Fasilitas penelitian
Untuk  pembuatan  dan  pengujian  keduanya dilakukan  di  Laboratorium  Pendingin  dan Pemanas  Jurusan  teknik  mesin  Fakultas  Teknik Universitas  Brawijaya  pada  bulan  juli  2019  - agustus  2019.  Peralatan  dan  bahan  yang digunakan  dalam  pengujian  adalah  sebagai berikut :  Kotak styrofoam  ukuran 310 mm x 190 mm  x  240  mm,  Modul  termoelektrik  TEC1 12706, Data Logger DAQNavi_SDK, Termokopel  Tipe-K,  Multimeter  digital,  Power Supply  output  DC  12  Volt,  Heatsink,  Kipas  DC, Termal Pasta, dan Laptop Asus A455L Instalasi  Pengujian  yang  dilakukan  dalam penelitian  ini  yaitu  Bagian  kotak  styrofoam, termoelektrik,  heatsink  dan  kipas  dirangkai menjadi  kotak  pendingin  yang  utuh.  Termokopel pertama  dimasukkan  ke  dalam  kotak  styrofoam untuk mengukur temperatur dalam kotak pendingin.    Termokopel  kedua  dipasang  antara sisi  dingin  modul  termoelektrik  dan  coolsink. Termal  pasta  dioleskan  secukupnya  pada  sisi dingin  dan  panas  termoelektrik  dengan  tujuan mendapatkan  kontak permukaan  yang  lebih baik. Termokopel  ketiga  dipasang  antara  heatsink (pembuang  kalor)  dan  sisi  panas  termolektrik. Memasang  dan  mengencangkan  baut  yang  ada antara heatsink dan coolsink. Memasang kipas di bagian  heatsink  untuk  mempercepat  pembungan kalor disisi panas. Ujung termokopel dihubungkan  ke  data  logger  yang  sudah terhubung  dengan  laptop.    Menghidupkan  power supply  dan  siap  untuk  melakukan  pengambilan data.
Skema instalasi penelitian ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1. Skema instalasi penelitian
Adapun  titik  pengambilan  data  temperatur untuk  susunan  tunggal  dan  ganda  ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3.
Gambar 2. Single stage
Keterangan: T 1 adalah temperatur ujung heatsink, T 2 temperatur sisi panas termoelektrik,
T 3 Temperatur sisi dingin termoelektrik,
T 4 temperatur ruang kotak pendingin T 5 Temperatur ambient.
Gambar 3. Multi Stage
b. Data reduksi
Data reduksi pada penelitian ini digunakan untuk menganalisis hasil percobaan atau eksperimen.  Perpindahan  panas  dari  dalam ruangan  cooler  box  dan  panas  yang  masuk  ke dalam  cooler  box  merupakan  beban  panas  yang harus dipindahkan dari dalam ruangan cooler box ke  lingkungan.  Performa  dari  termoelektrik  [4], [5] dan [6].
Koefisien seebeck
𝛂 = 𝟐 . 𝛂 𝐦 . 𝐍 (1)
Koefisien Seebeck elemen 𝛂 𝐦 =   𝛂 𝟎 +   𝛂 𝟏 𝐓 𝐚𝐯𝐞 +   𝛂 𝟐 𝐓 𝐚𝐯𝐞 𝟐 (2)
Dimana:
𝛼 𝑚 = Koefisien seebeck elemen [V/K]
𝛼 0 = 2.2224 x 10 -5 𝛼 1 = 9.306 x 10 -7 𝛼 2 = -9.905 x 10 -10
T ave = (Tc + Th)/2
Konduktifitas termal
𝐊 = 𝟐 . 𝐊 𝐦 . 𝐍. 𝐆 (3)
Dimana  : Km  = Konduktivitas termal elemen (W/cmK)
G = Faktor Geometri
Dalam penelitian ini, factor geometri di dapatkan melalui  pengukuran  tegangan  dan  arus  listrik TEC  yang  kemudian  dengan  menggunakan AZTEC software;Version 4.0, laird Technologies, didapatkan  factor  geometri  yang  sesuai  dengan TEC1 12706 yang digunakan adalah 0,077.
Konduktifitas termal elemen
𝐊 𝐦 =   𝐊 𝟎 +   𝐊 𝟏 𝐓 𝐀𝐯𝐞 +   𝐊 𝟐 𝐓 𝐀𝐯𝐞 𝟐 (4)
Dimana  ; 𝐾 𝑚 =Konduktivitas termal elemen [W/
cmK]
𝐾 0 = 6.2605 x 10 -2 𝐾 1 = -2.777 x 10 -4
𝐾 2
= 4.131 x 10 -7 𝑇 𝐴𝑣𝑒
= (Tc+Th)/2 Tahanan Elektrik
𝐑 = 𝟐 .  𝛒 .  𝐍 𝐆 (5)
Tahanan Elektrik elemen 𝛒 =   𝛒 𝟎 +   𝛒 𝟏 𝐓 𝐀𝐯𝐞 +   𝛒 𝟐 𝐓 𝐀𝐯𝐞 𝟐 (6)
Dimana ;
𝜌 0 = 5.112 x 10 -5 𝜌 1 = 1.634 x 10 -6 𝜌 2 = 6.279 x 10 -9 𝑇 𝐴𝑣𝑒 = (Tc+Th)/2
Kalor yang dilepaskan pada sisi panas TEC
𝐪̇ 𝐜 = 𝟐𝐍 [𝛂 𝐦 .  𝐈 .  𝐓 𝐜 −   𝐊 𝐦 .  ∆𝐓 + ( 𝐈𝟐 𝛒 𝟐𝐆 )] (7)
Kalor yang diserap pada sisi dingin
𝐪̇ 𝐡 = 𝟐𝐍 [𝛂 𝐦 .  𝐈 .  𝐓 𝐡 −   𝐊 𝐦 .  ∆𝐓 − ( 𝐈𝟐 𝛒 𝟐𝐆 )] (8)
Figure  of  merit,  (Z)  merupakan  parameter gabungan  dari  tiga  jenis  sifat  pada  termoelektrik dan sangat berpengaruh besar terhadap pendinginan yang terjadi. Pendinginan
termoelektrik  sangat  dipengaruhi  oleh  nilai  Z. semakin  besar  nilai  Z  maka  nilai Δ T  semakin tinggi  pula.  Nilai  Z  dapat  menunjukkan  kualitas dari elemen  termoelektrik
𝒁 = 𝜶𝒎𝟐 𝝆 .  𝑲𝒎 (9)
Coefficient of performance 𝐂𝐎𝐏 = 𝒒̇𝐜 𝐏𝐢𝐧 (10)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  penelitian  ini  disajikan  dalam  bentuk grafik. Sebelum menampilkan hasil-hasil penelitian  yang  berupa  jawaban  dari  perntanyaan dan  tujuan  penelitian,  maka  perlu  disajikan terlebih  dahulu  perilaku  temperatur  seiring bertambahnya  waktu  pengamatan.  Gambar  5 menampilkan  temperatur  variabel  terikat  yang diperoleh  pada  eksperimen  yaitu  temperatur ruangan,  temperatur  sisi  dingin  termoelektrik, temperatur  sisi  panas  termoelektrik,  temperatur heatsink, dan temperatur lingkungan.
(a) Single stage (b) Multi stage
Gambar 5. Tren temperatur terhadap waktu; (a) termoelektrik single-stage , (b) termoelektrik multi- stage , pada tegangan 12V
0 10 20 30 40 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 Temper atu r (0C ) Waktu (Menit) Troom Tc Th Theatsink 0 10 20 30 40 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 Te mp erat u r ( 0 C) Waktu (Menit) Troom Tc Th Theatsink
Gambar  5  menunjukkan  bahwa  temperatur ruang,  sisi  dingin  termoelektrik,  sisi  panas  dan heatsink  masing-masing  turun  seiring  dengan bertambahnya waktu. Penurunan paling signifikan adalah  dari  nol  hingga  21  menit.    Setelah  itu temperatur  tetap  menurun  tetapi  sangat  kecil penurunannya  dan  bahkan  hampir  konstan. Fenomena seperti ini terjadi karena termoelektrik tidak seketika menjadi dingin, artinya memerlukan  waktu  untuk  mencapai  temperatur minimum yang mampu diraihnya. [2,3,7,8,9,10].
Gambar 6. Hubungan Δ T dengan waktu untuk kedua konfigurasi, pada tegangan 12V
Gambar  6.  menunjukkan  bahwa  MS memiliki  beda  temperatur  yang  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  SS.  Dimana  perbedaan temperatur  ( Δ T)  antara  sisi  dingin  modul termoelektrik  dan  sisi  panas  termoelektrik  MS mencapai  20 o C  sedangkan  perbedaan  temperatur ( Δ T)  SS  mencapai  10 o C  Perbedaan  temperatur dapat  digunakan  dalam  menghitung  kapasitas pendinginan seperti pada persamaan 7, [4]
Gambar 7. Laju lepasan Kalor (Qh) terhadap waktu
Gambar  7  memperlihatkan  laju  pelepasan kalor  MS  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  SS. Dimana  Qh  MS  tertinggi  mencapai  84,51  Watt pada  menit  pertama  dan  terendah  74  Watt  di menit 58. Sedangkan  SS mencapai 66,93 Watt di menit  pertama  dan  terendah    sebesar  63,04Watt dimenit  60.  Selain  itu  juga  dapat  diamati  bahwa laju pelepasan kalor dimasing masing konfigurasi mengalami penurunan terhadap waktu.
Gambar 8. Laju Serapan kalor (Qc) terhadap waktu
Gambar 8 memperlihatkan daya serap kalor MS  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  SS. Dimana  Qc  MS  tertinggi  mencapai  48,71  Watt dimenit ke 1 dan terendah 38,93 Watt di menit 60. Sedangkan  daya  serap  kalor  SS  tertinggi  31,36 Wattdi  menit  ke  1  dan  terendah  27,93  Watt  di menit  60.    Selain  itu  juga  dapat  diamati  bahwa laju  penyerapan  kalor  di  masing  masing konfigurasi mengalami penurunan terhadap waktu.
Gambar  9  menunjukkan  arus  listrik  yang mengalir  di  masing  masing  konfigurasi  berbeda. Dimana  arus  listrik  yang  mengalir  pada konfigurasi  MS  sebesar  3,12  A  dan  SS  sebesar 2,22  A.    Tetapi  tidak  mengalami  perubahan terhadap  waktu  dikarenakan  tegangan  yang diberikan  konstan  di  12  Volt  dan  hambatannya tetap.
Gambar 9. Arus listrik TEC
0 10 20 30 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 Δ T ( o C) Waktu (Menit) Multi-stage Single-Stage 0 50 100 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 Q h ( W ) Waktu (Menit) Multi-Stage Single-Stage 0 20 40 60 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 Qc (W) Waktu (Menit) Multi-Stage Single Stage 0 1 2 3 4 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 A ru s (A ) Waktu (Menit) Multi-stage Single-Stage 0 0,5 1 1,5 1 5 9 13 17212529 33374145 49535761 COP Waktu (Menit) Multi-stage Single-stage
Gambar 10. Menunjukkan bahwa COP pada masing  masing  konfigurasi  menurun  terhadap waktu.  COP  MS  lebih  tinggi  dibandingkan  COP SS  dimana  COP  MS  tertinggi  sebesar  1,36  di menit  1  dan  terendah  1,11  dimenit  60  sedangkan COP  SS  tertinggi  0,88  dimenit  1  dan  terendah 0,80 di menit 60.
Nilai  COP  merupakan  ukuran  efisiensi  dari suatu  termoelektrik  pendingin  yang  dapat diketahui  dari  perbandingan  besarnya  kalor  yang diserap  pada  sisi  dingin  (Qc)  terhadap  besarnya daya listrikyang masuk (Pin).
Kinerja  termoelektrik  didasarkan  pada peninjauan  daya  listrik  yang  dikonsumsi  dan kecepatan pendinginan yaitu kemampuan termoelektrik  untuk  mencapai  temperatur  ruang paling rendah selama 60 menit. Dari kedua variasi susunan  termo  elektrik  dapat  diketahui  kinerja konfigurasi  terbaik  adalah  termoelektrik  multi- stage.  Karena  dapat  mencapai  temperatur  ruang yang  paling  rendah,  konsumsi  daya  listrik  yang paling  rendah  dan  kecepatan  pendinginan  yang paling baik. Hal ini menunjukan bahwa penerapan termoelektrik  multi  -stage  yang  dikombinasikan pada mesin pendingin merupakan metode penting untuk meningkatkan kinerja termoelektrik[10].

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian maka dapat disimpulkan bahwa
1. Susunan  termoelektrik  sangat  berpengaruh terhadap  temperatur  cool  box  dan  nilai  COP sistem termoelektrik.
2. Nilai  COP  konfigurasi  MS  lebih  tinggi sebesar  1,36  dibandingkan  dengan  COP konfigurasi SS sebesar 0,88.
3. Kinerja  termoelektrik  multi-stage  lebih  baik dibandingkan konfigurasi single stage.

## SARAN
Saran yang dapat diajukan agar percobaan  berikutnya  dapat  lebih  baik  dan  dapat menyempurnakan  percobaan  yaitu  perlu  adanya pengembangan penelitian khususnya untuk sistem  pelepasan  kalor  dengan  memvariasikan kecepatan  putaran  fan  sehingga  efisiensi  termal lebih maksimal.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Boyes  E.,  Stanisstreet  M.,  “The  ideas  of secondary  schoolchildren  concerrning  ozone layer  damage”, Global Environmental
Change , v. 4, n. 4, pp. 311-324, 1994
[2] Abdul-Wahab S.A., Elkamel A., Al-Damkhi., Al-Habsi., “ Design and Experimental investigation of the portable solar thermoelectricrefrigerator” , Renewable Energy, v. 34, pp. 30-34, 2009
[3] Anantha  H.,  Padang  A.L.,  Mirmanto,”Unjuk kerja termoelektrikdengan rangkaian seri dan
paralel  pada  beban  air  1500  ml”,  Dinamika Teknik Mesin, v. 7, n. 2, pp. 80-86, 2017 [4] Al-kaby,  Rehab  N  M.,” Study  of  thermal performance  of  thermoelectric  Cooling System ”.  Mechanical  departement,  Babylon University-College of Engineering.
[5] Diana  Encsu,  Elena  Otilia  Virjoghe,  “A review  on  thermoelectric  cooling  parameters and  performance”  ELSEVIER,  Renewable and  Sustainable  Energy  Reviews  38  (2014) 903-916
[6] Kuan Chen, Scott B.Gwilliam, “An Analysis of the heat transfer rate and efficiency of TE
(thermoelectric) cooling system”, in international  Journal  of  Energy  Researh 20(5) :399-417, 1996
[7] RawatM.K., Chattopadhyay H., Neogi S., “A review  on  development  of  thermoelectric refrigeration  and  air  conditioning  system: anovel  potential  green  refrigeration  and  air conditioning  technology”, Int.  J.  Enginering Technologi  and  advanced  Enginering, V.  3,
n. 3, pp. 362-367, 2013
[8] Holman J.P., Perpindahan Kalor, Edisi ke VI, Erlangga Jakarta, 1995
[9] Ramdhan  G.,  Sistem  pendingin  pada  kulkas termoelektrik  dengan  variasi  pembebanan, Skripsi  Teknik  Mesin,  Universitas  Mataram, 2016
[10] Chen,  Jincan.,  Zhou.,  Yinghui.,  Wang, Hongjie., Wang, Jin T. 2002. Comparation of the  optimal  performance  of  single  and  two- stage thermoelectric refrigeration System